KR102571306B1 - 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지용 금속분리판으로서, 스테인레스 금속판; 및 상기 스테인레스 금속판 표면에 적층되어 결합되는 티타늄금속판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판에 관한 것이다.

Description

멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판{Metallic Separator gasket for fuel cell using Multimaterial}

본 발명은 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판에 관한 것이다.

연료전지의 단위셀은 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에, 일반적으로 수개에서 수백개의 단위셀을 적층하여 사용한다. 단위셀의 적층 시 단위셀 간 전기적 접속이 이루어지게 하고, 반응 가스를 분리시켜주는 역할을 하는 것이 분리판이다.

분리판(bipolar plate)은 막전극 집합체(MEA)와 더불어 연료전지의 핵심부품으로 막전극 집합체와 기체확산층(GDL)의 구조적 지지, 발생된 전류의 수집 및 전달, 반응가스의 수송 및 제거, 반응열제거를 위한 냉각수 수송 등의 다양한 역할을 담당한다.

이에 따라, 분리판이 가져야할 소재 특성으로는 우수한 전기전도성, 열전도성, 가스밀폐성, 및 화학적 안정성 등이 있다.

이와 같은 분리판의 소재로서 흑연계 소재 및 수지와 흑연을 혼합한 복합 흑연재료를 이용해서 제조되어 왔다.

그러나, 흑연계 분리판은 강도 및 밀폐성이 금속계 소재와 대비하여 낮은 특성을 나타내며 특히 이를 이용한 분리판 제조시 높은 공정비용 및 낮은 양산성으로 인하여 최근에는 금속계 분리판에 대한 연구가 활발히 진행되고있다.

분리판의 소재로서 금속계를 적용할 경우 분리판 두께 감소를 통한 연료전지 스택의 부피감소 및 경량화가 가능하고 스탬핑 등을 이용한 제조가 가능하여 대량생산성을 확보할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

그러나, 연료전지 사용시 발생하는 금속의 부식은 막전극집합체의 오염을 유발하여 연료전지 스택 성능을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있고, 또한 장시간 사용시 금속 표면에서의 두꺼운 산화막 성장은 연료전지 내부 저항을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있다.

연료전지 분리판용 금속 소재로서 스테인리스강, 티타늄 합금, 알루미늄 합금 및 니켈 합금 등이 후보재료로 검토되고 있다. 이중 스테인리스강은 비교적 저렴한 소재 원가 및 우수한 내식성 등으로 인하여 분리판 소재로 많은 주목을 받고 있으나, 여전히 내식성 및 전기 전도성 측면에서 만족할 만한 수준을 보이지 못하고 있다.

금속분리판소재는 연성 및 기계적 강도가 있어 가공성이나 충격등 안정성에 있어 분리판 소재로 적합하여 분리판 두께를 액 0.1mm까지 줄여 부피, 중량, 가격 측면에서 유리하나, 연료전지 운전환경에서 부식이 발생하여 표면에 금(Au) 코팅을 하여 부식방지와 전기전도성을 향상시키고 있다.

금속분리판은 알루미늄, 스테인레스, 티타늄 등으로 비교적 비중이 낮은 단일 금속재료를 사용하여 기능 및 성능향상을 위하여 물리적, 화학적 특성을 고려하여 사용하고 있다. 주로 알루미늄 소재로는 AL6061, 스테인레스 ANSI 316, 316L, 티타늄 GRADE1을 사용하고 있다.

도 1은 통상 막전극접합체에 결합된 금속분리판의 단면도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 금속분리판은 막전극접합체(2, MEA)의 양측에 결합되며, 외부에서 공급된 수소와 산화반응과, 산소의 환원반응으로 이루어진 전기화학적 반응이 동시에 진행되어 전기와 물이 만들어 지고 열이 발생된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지(1)는 막전극접합체(2)와, 막전극접합체(2)의 공기극에 결합되는 양극분리판(3)과, 연료극에 결합되는 음극분리판(6)을 포함한다. 그리고 양극분리판(3)과 음극분리판(6) 각각은 모두 제1금속판(7)과 제2금속판(8)을 포함하여 부분적인 접합부를 두고 결합되어 냉각수 유로(4)를 형성하며, 막전극접합체(2)와 양극분리판(3) 사이에 산소유로(5)를 형성하며, 막전극접합체(2)와 음극분리판(6) 사이에 수소유로(9)가 형성되도록 제작된다.

이러한 제1금속판과 제2금속판을 각각을 구성하게 되는 금속분리판은 가스 및 물의 통로이며 전기를 전달하는 기능을 수행한다. 금속분리판은 가습상태의 환원분위기에 수소와, 산화분위기에서 산소와 노출되어 접촉하여 연료전지 환경에서 요구되는 충분한 내식성을 확보 할 수 없다.

또한 스테인레스 및 티타늄은 운전환경에서 비전도성 산화물 피막층이 형성되어 계면접촉저항이 증가하여 전기전도성을 약화시키게 되는 문제점이 존재한다.

대한민국 등록특허 10-1165542 대한민국 등록특허 10-2008250 대한민국 등록특허 10-107823

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 멀티소재를 사용하여 내부식성과 전기전도성을 향상시킨 연료전지용 금속분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 성형성이 높고 경제적인 스테인레스의 장점과, 내부식성이 높은 티타늄 소재의 장점을 갖는 멀티 소재 연료전지용 금속분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 가볍고 얇고 경제적으로 성형할 수 있는 장점과, 분리판의 댜앙한 특성요구를 만족시킬 수 있는 개별 소재의 장점을 나타낼 수 있는 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 연료전지용 금속분리판으로서, 스테인레스 금속판; 및 상기 스테인레스 금속판 표면에 적층되어 결합되는 티타늄금속판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판으로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 티타늄금속판은, 상기 스테인레스 금속판 일표면에 적층되어 결합되는 제1티타늄금속판과, 상기 스테인레스 금속판 타표면에 적층되어 결합되는 제2티타늄금속판을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 연료전지용 금속분리판으로서, 알루미늄 금속판; 및 상기 알루미늄 금속판 표면에 적층되어 결합되는 티타늄금속판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판으로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 티타늄금속판은, 상기 알루미늄 금속판 일표면에 적층되어 결합되는 제1티타늄금속판과, 상기 알루미늄 금속판 타표면에 적층되어 결합되는 제2티타늄금속판을 포함하는 것을 특징으로 알 수 있다.

본 발명의 제3목적은 연료전지로서, 막전극접합체; 상기 막전극접합체의 공기극 측에 결합되며 앞서 언급한 제1목적 또는 제2목적에 따른 금속분리판으로 구성되며 냉각수 유로와 산소유로를 갖는 양극분리판; 및 상기 막전극접합체의 연료극 측에 결합되며 앞서 언급한 제1목적 또는 제2목적에 따른 금속분리판으로 구성되며 냉각수 유로와 소소유로를 갖는 음극분리판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 소재 적용 금속분리판을 갖는 연료전지로서 달성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판에 따르면, 멀티소재를 사용하여 내부식성과 전기전도성을 모두 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따르면 성형성이 높고 경제적인 스테인레스의 장점과, 내부식성이 높은 티타늄 소재의 장점을 갖는 멀티 소재 연료전지용 금속분리판을 제공할 수 있는 효과를 갖는다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판에 따르면, 가볍고 얇고 경제적으로 성형할 수 있는 장점과, 분리판의 다앙한 특성요구를 만족시킬 수 있는 개별 소재의 장점을 나타낼 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 통상 막전극접합체에 결합된 금속분리판의 단면도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판((2겹, SUS+Ti) : Main material (SUS), Sub material(Ti))의 단면도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판((3겹, Ti+SUS+Ti) : Main material (SUS), Sub material(Ti))의 단면도,
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판((3겹,Ti + AL +Ti) : Main material (AL), Sub material(Ti))의 단면도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.

종래 연료전지용 금속분리판은 스테인레스, 티타늄이 단일 소재로서 사용되어 지고 있으며, 그 물리적 특성은 스테인레스의 경우 성형성이 좋고 가격이 저렴하다. 또한 티타늄은 성형이 어렵고 가격이 비싸고 내부식성이 좋아 장수명 연료전지에 적합한 특성을 갖는다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판((2겹, SUS+Ti) : Main material (SUS), Sub material(Ti))의 단면도를 도시한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판은 2개의 금속판이 접합, 결합되어 구성될 수 있음을 알 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판은 스테인레스 강판으로 구성되는 스테인레스 금속판(10)과, 이러한 스테인레스 금속판(10) 표면에 적층되어 결합되는 티타늄금속판(20)을 포함하여 구성될 수 있다.

따라서 스테인레스의 성형성이 좋고 경제적이라는 장점과, 내부식성이 좋은 티타늄의 특성을 모두 가질 수 있게 된다.

그리고 이러한 본 발명의 실시예에 따른 스테인레스 금속판과 티타늄 금속판의 두께비 7~9 : 1~3 비로 구성될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 금속분리판은 종래와 같이, 단일 소재의 금속판을 적용하거나, 단일 소재의 금속판에 크롬, 티타늄, 금 등의 코팅층을 형성하거나 산화막 등을 형성하는 것이 아닌, 스테인레스 금속판과 티타늄 금속판 각각을 압착롤 등을 통해 압착한 클래드 메탈 공법을 통해 결합시켜 2 소재의 장점, 특징을 그대로 포함할 수 있도록 구성된다.

일반적으로, 클래드판이란 성질이 다른 두 가지 이상의 금속판재를 겹쳐서 접합시킨 다층 복합판으로서 각각의 재질의 특징을 고루 갖춘 판이다. 금속판재를 접합하는 방법은 판재를 상온 또는 고온으로 겹친 후 압연하거나 또는 주조하여 접합하는 방법이 일반적으로 사용되고 있다.

성질이 다른 두 가지 이상의 스테인레스 판재 또는 알루미늄 판재로 구성된 클래드판은 구성판재의 종류에 따라서 여러 가지 복합적인 특성을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 강도 및 가공성이 우수한 금속판의 양쪽 표면에 내식성이 우수한 티타늄 금속판을 접합하여 고강도, 고내식성, 가공성을 두루 갖춘 다층 클래드판을 제조할 수 있다.

클래드판의 제조는 압연접합법으로 판재 표면을 탈지한 후 산세, 브러싱, 페이퍼링, 블라스팅 등의 공정을 거친 후 요철을 형성하고 일정 압하율 이상으로 압연하여 클래드판으로 제조할 수 있다. 이때 압연접합법으로 알루미늄합금 판재를 접합하기 위한 압하율은 40 ~ 80%정도 일 수 있다.

클래드 판재의 제조시 판재를 압연하기 전에 가열로에 장입하여 가열함으로써 접합을 위한 압하율을 감소시키고 균열발생을 억제할 수 있다. 이때, 판재를 가열하기 위한 수단으로는 열선에 의한 가열방식이 대표적이다. 열선에 의한 가열방식은 내부가 일정한 온도로 유지되고 있는 가열로에 판재를 장입하여 가열로 내부 기체의 대류에 의하여 가열이 수행된다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판((3겹, Ti +SUS+Ti) : Main material (SUS), Sub material(Ti))의 단면도를 도시한 것이다.

제2실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판은 도 3에 도시된 바와 같이, 스테인레스 금속판(10) 상면에 적층되어 결합되는 제1티타늄금속판(21)과, 스테인레스 금속판(10) 하면에 적층되어 결합되는 제2티타늄금속판(22)을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다. 따라서 총 3층의 금속분리판으로 구성될 수 있다.

이러한 스테인레스 금속판(10)의 두께와, 제1티타늄금속판(21)과 제2티타늄금속판(22)의 두께합은 7~9 : 1~3 비로 구성될 수 있다. 따라서 제2실시예에서는 스테인레스 양면 모두에 대해 내부식성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판((3겹,Ti + AL +Ti) : Main material (AL), Sub material(Ti))의 단면도를 도시한 것이다.

본 발명의 제3실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판은 알루미늄 금속판(30)과, 이러한 알루미늄 금속판(30) 표면에 적층되어 결합되는 티타늄금속판(20)을 포함하여 구성될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 티타늄금속판(20)은, 알루미늄 금속판(30) 상면에 적층되어 결합되는 제1티타늄금속판(21)과, 알루미늄 금속판(30) 하면에 적층되어 결합되는 제2티타늄금속판(22)을 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 이러한 알루미늄 금속판(30)의 두께와, 제1티타늄금속판(21)과 제2티타늄금속판(22)의 두께합은 7~9 : 1~3 비로 구성될 수 있다.

그러한 멀티소재로 구성되는 금속분리판을 적용하여 연료전지를 구성하게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지(1)는 막전극접합체(2)와, 막전극접합체(2)의 공기극에 결합되는 양극분리판(3)과, 연료극에 결합되는 음극분리판(6)을 포함하며, 앞서 언급한 멀티소재 금속분리판은 양극분리판(3)과 음극분리판(6)을 구성하게 된다.

양극분리판(3)과 음극분리판(6) 각각은 모두 제1금속판(7)과 제2금속판(8)을 포함하여 부분 접합부를 두고 결합되어 냉각수 유로(4)를 형성하며, 막전극접합체(2)와 양극분리판(3) 사이에 산소유로(5)를 형성하며, 막전극접합체(2)와 음극분리판(6) 사이에 수소유로(9)가 형성되도록 제작된다.

이러한 제1금속판(7)과 제2금속판(8) 각각은, 앞서 언급한 본 발명의 실시예에 다른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판으로 구성되게 된다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판에 따르면, 멀티소재를 사용하여 내부식성과 전기전도성을 모두 향상시킬 수 있게 된다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면 성형성이 높고 경제적인 스테인레스의 장점과, 내부식성이 높은 티타늄 소재의 장점을 가질 수 있게 되며, 그리고 본 발명의 실시예에 따른 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판에 따르면, 가볍고 얇고 경제적으로 성형할 수 있는 장점과, 분리판의 댜앙한 특성요구를 만족시킬 수 있는 개별 소재의 장점을 나타낼 수 있게 된다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:연료전지
2:막전극접합체
3:양극분리판
4:냉각수 유로
5:산소유로
6:음극분리판
7:제1금속판
8:제2금속판
9:수소유로
10:스테인레스 금속판
20:티타늄금속판
21:제1티타늄금속판
22:제2티타늄금속판
30:알루미늄 금속판

Claims (5)

1. 연료전지용 금속분리판으로서,
   스테인레스 금속판; 및 상기 스테인레스 금속판 표면에 클래드 메탈 공법에 의해 적층되어 결합되는 티타늄금속판;을 포함하고
   상기 티타늄금속판은, 상기 스테인레스 금속판 일표면에 클래드 메탈 공법에 의해 적층되어 결합되는 제1티타늄금속판과, 상기 스테인레스 금속판 타표면에 클래드 메탈 공법에 의해 적층되어 결합되는 제2티타늄금속판을 포함하고,
   스테인레스 금속판의 두께와, 제1티타늄금속판과 제2티타늄금속판의 두께합은 7~9 : 1~3 비로 구성되며,
   상기 티타늄금속판은 판재 표면을 탈지한 후 산세, 브러싱, 페이퍼링, 블라스팅의 공정을 거친 후 요철을 형성하고 압하율 40 ~ 80%으로 압연접합법으로 상기 스테인레스 금속판에 접합되며,
   압연접합 전에 상기 티타늄금속판 판재를 일정한 온도로 유지되고 있는 가열로에 장입하여 가열로 내부 기체의 대류에 의하여 가열을 수행하여 균열발생을 억제하는 것을 특징으로 하는 멀티 소재 적용 연료전지용 금속분리판.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 연료전지로서,
   막전극접합체;
   상기 막전극접합체의 공기극 측에 결합되며 제 1항에 따른 금속분리판으로 구성되며 냉각수 유로와 산소유로를 갖는 양극분리판; 및
   상기 막전극접합체의 연료극 측에 결합되며 제 1항에 따른 금속분리판으로 구성되며 냉각수 유로와 소소유로를 갖는 음극분리판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 소재 적용 금속분리판을 갖는 연료전지.
   

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